如何才能夹紧刀具从而保证高速加工

寂静回声

由于高效加工的进给速度越来越快，轴转速也不断再创新高，而这在大约二十年前，现代化数控时期伊始，曾被视作不可能实现的。高的刀具轴转速能够提高生产力，但同时也带来了新的问题——旋转质量的物理作用会对刀夹产生极大的影响。标准弹簧夹头的常规夹持力已经无法满足新的需求。为了将现代化机械和刀具的性能发挥到最大，必须充分考虑诸如平衡差度、刀具的几何形状、刀具夹紧和减小振动等因素。
重要标志——牢牢的夹紧刀具
许多数控操作员和工程师都非常清楚，如果选择最合适的刀具的夹紧工具，对刀具的使用寿命也会产生很大影响。比如调整刀柄夹紧时的长度，也是一个不可忽视的影响因素。BIG Kaiser公司始终坚持刀具在夹紧时要和弹簧夹头的长度相配合。
与此同时，还有许多值得注意的影响因素。比如，刀柄等刀具夹的抛光程度，其清洁度可以减少摩擦。油品和冷却剂同样能够减少摩擦和夹持力。通常在保证达到铣刀刀柄的粗糙度之后就不再理会。事实上，在高速加工中所需的几微米的粗糙度，在实际运用中往往始终无法达到要求。
同样的，刀柄直径的国际标准公差等级h6也极为重要。对小型刀具来说意味着重复性要小于6微米。大多数工厂都不会使用必要的测量装置对小于毫米的公差进行复查。一个优秀的刀具供应商在这里就起到至关重要的作用。
振动在动力学系统中是无法避免的。在能量供应充分的情况下发生的振动有可能导致结构发生预期之外的移动，比如造成机身材料变形。自身高速旋转的刀具还有可能加剧这些问题。由于质量分布不均，在旋转轴产生的刀具夹/刀具系统平衡差度会释放出离心力。这种离心力（或者准确称之为向心力）能够用一个简单的公式计算出来：
FZ=mv2/r，m指刀具系统代表的质量，v指转速，r指刀具夹/刀具的半径。
双倍的轴转速能产生四倍的向心力
这看似简化的公式，却表达了最基本的知识内容，即作用力和重心误差（刀具切换的准确度）成正比、和圆周速度的平方成正比，和刀具夹的半径成反比。
这是一个非常不幸的连锁反应：如果轴转速翻倍，就会导致向心力变成四倍。由于加长刀具夹的方法不可行，解决方法就是将重心误差降至最低并消除平衡差度。不需要对刀具进行重量平衡的最简单的方法，就是使用对称的刀具夹。
传统的带有侧面紧固螺钉的铣刀夹头不仅成本低，而且安装操作快速简单。但是它也有一些缺点，由于其径向跳动量为0.05，减振微弱并且夹持力较弱，使得这类传统的刀具夹只适用于低转速的粗铣加工。径跳误差（径跳，对手柄上距离为四倍刀具直径的位置进行测量）总计0.1毫米，S/R比率为1.7至2.7。夹持范围不存在；防拉脱安全性高。

图1 压缩夹头虽然前期准备复杂，但是性能出色。它适用于中型到重型铣削；夹持力取决于刀具手柄和刀具夹内部直径的公差。（图源：BIG Kaiser）
另一种夹头类型：压缩夹头（图2）。这看起来似乎是最完美的刀夹技术：全方位接触，夹持力高。压缩夹头非常适合用于速度适宜的中等到重型的铣削，但是它的夹持力取决于刀具手柄和刀具夹内部直径的公差。厚壁夹头的夹持力也会更高。因此压缩夹头中的刀具的断裂频繁也是一大成本要素，断裂的刀具手柄无法从夹头中拆除。而夹头由昂贵的工具钢所制成，可以承受无数次的热交变压力。压缩夹头所需的准备时间更长，因为在装入刀具之前要先加热夹头然后等待其再次冷却。
其径向跳动量比使用带有侧面紧固螺钉的夹头要好得多，并且适合用于高速铣削，但是其最低限度的减振特性也意味着它只能用于高速铣削。它还具有更多的特性：径跳误差总计0.007毫米（由于要持续加热/冷却，径向跳动精度会随着使用时间降低）；S/R比率为1.7至2.7；无夹持范围；防拉脱安全性高；手工可操作性差。
弹簧夹头：旧方法，新任务，高转速
大多数的数控操作人员都接受过这样的培训——将弹簧卡头拧紧并固定在手动垂直的摇臂铣床上。这种弹簧夹头（图3）简单且容易操作，在用力夹紧时能够产生非常出色的夹持作用。然而对于复杂的高速铣削来说，这种弹簧夹头却有一个短板：平衡性。

图2 弹簧夹头适合进给量大和转速高的铣削，比如精铣加工。和压缩夹头相比，这种夹头的刀具安装更简单、更快速并且不需要使用特殊工具。（图源：BIG Kaiser）
自然静止的平衡状态能够帮助减少在高转速时产生的振动。因此弹簧夹头非常适合高进给量和高转速的铣削以及精铣加工。和压缩夹头相比，它的刀具安装更为简单、快速，而且不需要使用特殊工具。尤为重要的一点是，弹簧夹头的径跳特性也十分出色：径向跳动量是压缩夹头的两倍，是带有侧面紧固螺钉的刀具夹的十倍。除此之外还有其他特点：径跳误差0.03毫米 ；S/R比率2.5至3.0；夹持范围0.0505；夹持力适中，防拉脱安全性好，减振好。
滚珠轴承锁紧螺母 能够防止夹头变形
通常来说，弹簧夹头是由一排同中心的楔子组成，对刀柄施加压力。作用力越大，夹紧刀具的力就越大。为了夹紧刀具，使用者往往会将螺母拧得过紧。于是夹头会发生变形。如何解决呢？滚珠轴承锁紧螺母能够将螺母和夹头之间的摩擦降至可以忽略不计的程度。最低限量的夹头扭转能够反过来改善夹持状况，并且对径向跳动产生积极影响。

图3 铣夹头适合快速更换且夹持力大。它由数排产生同等夹持力的滚针轴承共同产生夹持作用。滚针的倾斜度对夹持力产生决定性的影响。（图源：BIG Kaiser）
在使用过程中，想要在高夹持力的情况下快速更换刀具，使用铣夹头是一个非常不错的选择（图4）。铣夹头由数排产生同等夹持力的滚针轴承组成，向铣夹头中心施压，从而产生对刀具的夹持力。滚针的倾斜度对铣夹头的夹持力会产生决定性的影响。当一个楔子的角度越平，产生的夹持力越高。数排滚针轴承组合在一起产生的夹持力相当可观，能够夹紧粗的刀柄。
刀具直径越大，需要的滚针轴承组合越多，夹持力也就随之上升。铣夹头夹持力大，操作简单，因此通用性很高。径跳精度虽然比弹簧夹头低，但是比侧面锁紧夹头要高出两倍。其他特点还包括：径跳误差0.001016毫米；S/R比率3；防拉脱安全性高。如果想要做到任何情况下刀具都不会在加工过程中拉脱，就要保证刀具夹的防拉脱安全性能，比如BIG Kaiser 公司的Mega Perfect Grip 夹头。
液压膨胀夹头具有压缩夹头的优点
那么，有没有一种夹头，既具备侧面锁紧夹头的快速更换刀具的优点，又具有弹簧夹头出色的径跳性能和高转速性能呢？答案是肯定的。液压膨胀夹头不仅具有以上优点，而且夹紧范围比弹簧夹头更大（图4）。液压系统的力学优点不仅能够保证持续稳定的夹持力，而且减少了因操作者不同产生的偏差，而且不需要使用特殊的工具。

图5 液压膨胀夹头是用于精铣加工、扩孔和钻孔最理想的选择。它不仅具有压缩夹头的杰出性能，而且径跳性能出色，非常适合精密的精铣加工。（图源：BIG Kaiser）
液压膨胀夹头是用于精铣加工、扩孔和钻孔最理想的选择。液压膨胀夹头不仅具有压缩夹头的杰出性能，而且径向跳动性能出色，非常适合精密的精铣加工。除此之外还有其他特点：径跳误差0.002毫米；S/R比率1.5 ；夹持范围0.0505 ；防拉脱安全性适中，减振和可操作性非常好。

图5 不同夹头类型和标准的铣夹头的性能对比，以同一个位置为测量基础。（图源：BIG Kaiser）
你可能会问，到底哪一种夹头类型最适合哪一种加工方式呢？这取决于加工过程的特性。精密加工要求很高的径跳准确性。在更换刀具的环节，则要求快速更换刀具保证生产效率。在长时间加工时则又对刀具夹的夹持力提出了严格的要求。夹持力在任何情况下都只是众多因素的其中一个。在图6中以同一个位置为测量基础，将不同夹头类型和标准的铣夹头的性能进行了对比。

那么现在哪种夹头是最好的呢？正如上文所述，这取决于加工任务。目前仍没有哪一种夹头可以解决高速铣削中的所有问题。

Ching

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